Фундаментальные физические постоянные

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Фундамента́льные физи́ческие постоя́нные — постоянные величины, входящие в уравнения, описывающие фундаментальные законы природы и свойства материи[1]. Фундаментальные физические постоянные возникают в теоретических моделях наблюдаемых явлений в виде универсальных коэффициентов в соответствующих математических выражениях.

Обзор[править | править код]

Слово «постоянная» в физике употребляется в двояком смысле:

  • численное значение некоторой величины вообще не зависит от каких-либо внешних параметров и не меняется со временем,
  • изменение численного значения некоторой величины несущественно для рассматриваемой задачи.

Например, гелиоцентрическая постоянная, равная произведению гравитационной постоянной на массу Солнца, уменьшается из-за уменьшения массы Солнца, происходящего вследствие излучения им энергии и испускания солнечного ветра. Однако, поскольку относительное уменьшение массы Солнца составляет величину порядка 10−14, то для большинства задач небесной механики гелиоцентрическая постоянная с удовлетворительной точностью может рассматриваться как постоянная. Также в физике высоких энергий постоянная тонкой структуры, характеризующая интенсивность электромагнитного взаимодействия, растёт с ростом переданного импульса (на малых расстояниях), однако её изменение несущественно для широкого круга обычных явлений, например, для спектроскопии.

Физические постоянные делятся на две основные группы — размерные и безразмерные постоянные. Численные значения размерных постоянных зависят от выбора единиц измерения. Численные значения безразмерных постоянных не зависят от систем единиц и должны определяться чисто математически в рамках единой теории. Среди размерных физических постоянных следует выделять постоянные, которые не образуют между собой безразмерных комбинаций, их максимальное число равно числу основных единиц измерения — это и есть собственно фундаментальные физические постоянные (скорость света, постоянная Планка и др.). Все остальные размерные физические постоянные сводятся к комбинациям безразмерных постоянных и фундаментальных размерных постоянных. С точки зрения фундаментальных постоянных, эволюция физической картины мира — это переход от физики без фундаментальных постоянных (классическая физика) к физике с фундаментальными постоянными (современная физика). Классическая физика при этом сохраняет своё значение как предельный случай современной физики, когда характерные параметры исследуемых явлений далеки от фундаментальных постоянных.

Скорость света появилась ещё в классической физике в XVII в., но тогда она не играла фундаментальной роли. Фундаментальный статус скорость света приобрела после создания электродинамики Дж. К. Максвеллом и специальной теории относительности А. Эйнштейном (1905). После создания квантовой механики (1926) фундаментальный статус приобрела постоянная Планка h, введённая М. Планком в 1901 г. как размерный коэффициент в законе теплового излучения. К фундаментальным постоянным также ряд учёных относит гравитационную постоянную G, постоянную Больцмана k, элементарный заряд e (или постоянную тонкой структуры α) и космологическую постоянную Λ. Фундаментальные физические постоянные являются естественными масштабами физических величин, переход к ним в качестве единиц измерения лежит в основе построения естественной (планковской) системы единиц. К фундаментальным постоянным в силу исторической традиции также относят и некоторые другие физические постоянные, связанные с конкретными телами (например, массы элементарных частиц), однако эти постоянные должны, согласно современным представлениям, каким-то пока неизвестным образом выводиться из более фундаментального масштаба массы (энергии), так называемого вакуумного среднего поля Хиггса.

Международно принятый набор значений фундаментальных физических постоянных и коэффициентов для их перевода регулярно издаётся[2] Рабочей группой CODATA по фундаментальным постоянным.

Фундаментальные физические постоянные[править | править код]

Здесь и далее приведены значения, рекомендованные CODATA в 2018 году.

Величина Символ Значение Прим.
скорость света в вакууме 299 792 458 м·с−1
= 2,99792458⋅108 м·с−1
точно
гравитационная постоянная 6,674 30(15)⋅10−11 м3·кг−1·с−2
постоянная Планка (элементарный квант действия) 6,626 070 15⋅10−34 Дж·с точно
постоянная Дирака (приведённая постоянная Планка) 1,054 571 817… ⋅10−34 Дж·с
элементарный заряд 1,602 176 634⋅10−19 Кл точно
постоянная Больцмана 1,380 649⋅10−23 Дж·К−1 точно

Планковские величины (размерные комбинации постоянных c, G, h, k)[править | править код]

Основная статья: Планковские единицы
Название Символ Значение
планковская масса 2,176 434(24)⋅10−8 кг[3]
планковская длина 1,616 255(18)⋅10−35 м[4][5]
планковское время 5,391 247(60)⋅10−44 с[6]
планковская температура 1,416 784(16) ⋅1032 К[7]

Постоянные, связывающие разные системы единиц, и переводные множители[править | править код]

Название Символ Значение Прим.
постоянная тонкой структуры (система СИ) 7,297 352 5693(11)⋅10−3
137,035 999 084(21)
электрическая постоянная 8,854 187 8128(13) ⋅10−12 Ф·м−1
атомная единица массы = 1 а. е. м. 1,660 539 066 60(50)⋅10−27 кг
1 а. е. м. 1,492 418 085 60(45)⋅10−10 Дж
= 931,494 102 42(28)⋅106 Эв
= 931,494 102 42(28) МэВ[8]
постоянная Авогадро 6,022 140 76⋅1023 моль−1[9] точно
1 электронвольт эВ 1,602 176 634⋅10−19 Дж
= 1,602 176 634⋅10−12 эрг
точно
1 калория (международная) 1 кал 4,1868 Дж точно
литр·атмосфера 1 л·атм 101,325 Дж
2,30259 RT[10] 5,706 кДж·моль−1 (при 298 К)
1 кДж·моль−1 83,593 см−1[11]

Электромагнитные постоянные[править | править код]

Нижеследующие константы были точными до изменений определений основных единиц СИ 2018—2019 годов, но стали экспериментально определяемыми величинами в результате этих изменений.

Название Символ Значение Прим.
магнитная постоянная[12] 1,256 637 062 12(19) ⋅10-6 Гн·м−1 = 1,256 637 062 12(19) ⋅10-6 Н·А−2 (через основные единицы СИ: кг·м·с−2·А−2) ранее точно Гн/м
волновое сопротивление вакуума[13] Ом.
электрическая постоянная 8,854 187 8128(13) ⋅10−12 Ф·м−1 (через основные единицы СИ: кг−1·м−3·с4·А2)
постоянная Кулона ≈ 8,987 55 ⋅109 Ф−1·м (через основные единицы: кг·м3·с−4·А−2)

Некоторые другие физические постоянные[править | править код]

Название Символ Значение Прим.
Массы элементарных частиц:
масса электрона
9,109 383 7015(28)⋅10−31 кг (абсол.)
= 0,000548579909065(16) а. е. м. (относит.)
масса протона 1,672 621 923 69(51)⋅10−27 кг
= 1,007276466621(53) а. е. м.
масса нейтрона 1,674 927 498 04(95)⋅10−27 кг
= 1,008 664 915 60(57) а. е. м.
М протон плюс электрон (абсолютная масса атома водорода 1H) ≈ 1,673 5328⋅10−27 кг
= 1,007825 а.е.м. (относит.)
магнитный момент электрона −928,476 470 43(28)⋅10−26 Дж·Тл−1
магнитный момент протона 1,410 606 797 36(60)⋅10−26 Дж·Тл−1
магнетон Бора 927,401 007 83(28)⋅10−26 Дж·Тл−1[14]
ядерный магнетон 5,050 783 7461(15)⋅10−27 Дж·Тл−1
g-фактор свободного электрона 2,002 319 304 362 56(35)
гиромагнитное отношение протона 2,675 221 8744(11)⋅108 с−1·Тл−1
постоянная Фарадея 96 485,332 12… Кл·моль−1
универсальная газовая постоянная 8,314 462 618… Дж·К−1·моль−1
≈ 0,082057 л·атм·К−1·моль−1
молярный объём идеального газа (при 273,15 К, 101,325 кПа) 22,413 969 54… ⋅10−3 м³·моль−1
стандартное атмосферное давление (н.у.) атм 101 325 Па точно
боровский радиус 0,529 177 210 903(80)⋅10−10 м
энергия Хартри 4,359 744 722 2071(85)⋅10−18 Дж
постоянная Ридберга 10 973 731,568 160(21) м−1
первая радиационная постоянная 3,741 771 852… ⋅10−16 Вт·м²
вторая радиационная постоянная 1,438 776 877… ⋅10−2 м·К
постоянная Стефана-Больцмана 5,670 374 419… ⋅10−8 Вт·м−2·К−4
постоянная Вина 2,897 771 955… ⋅10−3м·К
стандартное ускорение свободного падения на поверхности Земли (усреднённое) 9,806 65 м·с−2 точно
Температура тройной точки воды 273,16 K

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. Фундаментальные физические константы // Физическая энциклопедия, т. 5. М.: Большая Российская энциклопедия, 1998, с. 381—383.
  2. 1 2 CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  3. Planck mass (недоступная ссылка). physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано 14 июня 2015 года.
  4. NIST, «Planck length» (англ.), NIST’s published CODATA constants
  5. Fundamental Physical Constants — Complete Listing
  6. Planck time (недоступная ссылка). physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано 14 июня 2015 года.
  7. Planck temperature (недоступная ссылка). physics.nist.gov. Дата обращения: 28 июня 2015. Архивировано 14 июня 2015 года.
  8. из соотношения E = mc2
  9. Avogadro constant — CODATA Internationally recommended values of the Fundamental Physical Constants
  10. из отношения, определяющего зависимость свободной энергии от концентрации (парциального давления):
    2,30259 — модуль перехода (логарифмы)
  11. из соотношения , где выражено в обратных сантиметрах см−1
  12. CODATA Value: Vacuum permeability
  13. CODATA Value: Characteristic impedance of vacuum  (недоступная ссылка)
  14. Bohr magneton. physics.nist.gov.

Ссылки[править | править код]